Studies on the Solid State Fermentation of Cassava Bagasse for Animal Feed

Abstract

The present work studies the protein and water-soluble vitamin enrichment of cassava bagasse by solid substrate fermentation (SSF) using edible filamentous fungi Rhizopus spp. Both the substrate cassava bagasse and the microorganisms Rhizopus spp. were first subjected to proximate analysis and strain selection, respectively, before both were used in combination in a fermentation system. Cassava bagasse, a solid waste of the tapioca starch processing industry, was found to be nutritionally poor, consisting (in g/100 g) mainly of starch (70.17) and fibres (11.24), with very low contents of crude protein (1.21), crude lipids (0.18), and ash (1.24). After screening on cassava bagasse media, five out of twenty-eight Rhizopus strains were selected as the best growing strains, namely R. oryzae Fi, Mala, EN, ZB and R. oligosporus Tebo. An optimisation of the fermentation conditions using R. oryzae ZB was subsequently carried out and the following optimal conditions were obtained: incubation temperature of 27-30°C, inoculum density of 10^2–10^4 spores/g initial substrate, initial moisture content of 68%, initial substrate’s pH of 5.3–6.6, fermentation period of 120 hours, and mineral supplementation (in g/100 g initial substrate) with potassium dihydrogen phosphate (1.7), ammonium sulphate (3.6), and urea (3.4). The resulting fermented product, termed cassava bagasse tempe, had physical characteristics very similar to its mature soybean tempe counterpart. Depending on the Rhizopus strain used, the initial protein content was increased from 1.45 to 6.6–9.2 g/100 g. The fermentation also resulted in the enrichment (in µg/g) of thiamine (from 0.11 to 0.49–1.18), riboflavin (from 2.05 to 8.45–11.13), pyridoxine (from 0.07 auf 0.98-2.89), niacin (from 5.0 to 184.1–261.0), and biotin (from 0.03 to 0.71–1.21). No increase in folic acid was measured except when R. oryzae EN was used as the fermenting fungus, where the concentration increased from 0.18 to 0.62 µg/g. Since these protein and water-soluble vitamin contents were comparable to those of certain conventional feedstuffs, cassava bagasse tempe can thus be viewed as a potential alternative for animal feed.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Anreicherung von Protein und wasserlöslichen Vitaminen in Maniokbagasse durch Feststofffermentation mit dem essbaren Schimmelpilz Rhizopus. Zunächst wurden das Maniokbagasse-Substrat und die Rhizopus spp. Pilze jeweils kurzcharakterisiert und ausgewählt, bevor die beiden in einem Fermentations-System kombiniert verwendet wurden. Die Maniokbagasse ist ein fester nährstoffarmer Abfall der Maniokstärke verarbeitenden Industrie, und durchschnittlich bestehend aus (in g/100 g) Stärke (70,17) und Ballaststoffen (11,24) mit sehr niedrigen Gehalten an Protein (1,21), Lipiden (0,18) und Asche (1,24). Nach dem Screening auf den Maniokbagasse-Medien wurden fünf von achtundzwanzig Rhizopus Stämmen als die am besten wachsenden Stämme ausgewählt, nämlich R. oryzae Fi, Mala, EN, ZB und R. oligosporus Tebo. Optimierungen der Fermentationsbedingungen wurden mit R. oryzae ZB durchgeführt und die folgenden optimalen Fermentationsbedingungen erreicht: Eine Inkubationstemperatur von 27-30°C, eine Inokulum-Dichte von 10^2-10^4 Sporen/g Anfangssubstrat, ein anfänglicher Feuchtigkeitsgehalt von 68%, ein Anfangs-pH-Wert im Substrat von 5,3-6,6, eine Fermentationsdauer von 120 Stunden und eine mineralische Supplementierung (in g/100 g des ersten Substrates) mit Kaliumdihydrogenphosphat (1,7), Ammoniumsulfat (3,6), und Harnstoff (3,4). Das daraus resultierende fermentierte Produkt, Maniokbagasse-Tempe genannt, hatte sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie reifes Sojabohnen-Tempe. Abhängig von dem verwendeten Rhizopus-Stamm wurde der ursprüngliche Gehalt des Proteins von 1,45 auf 6,6-9,2 g/100 g erhöht. Die Fermentation führte ebenfalls zu einer Anreicherung (in µg/g) bei Thiamin (von 0,11 auf 0,49-1,18), bei Riboflavin (von 2,05 auf 8,45-11,13), bei Pyridoxin (von 0,07 auf 0,98-2,89), bei Niacin (von 5,0 auf 184,1-261,0), und bei Biotin (von 0,03 auf 0,71-1,21). Eine Erhöhung der Folsäure wurde nicht beobachtet, ausser wenn R. oryzae EN als fermentierender Pilz verwendet wurde, in denen die Konzentration von 0,18 auf 0,62 µg/g erreicht wurde. Da diese Gehalte an Proteinen und wasserlöslichen Vitaminen mit einigen konventionellen Futtermitteln vergleichbar waren, kann Maniokbagasse Tempe somit eine mögliche Alternative für die Tierernährung sein.